氫氣傳感器的抗力學改進設計研究

遲 超 趙振起 孫延玉 劉智敏 王萬生 楊 丹

（中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱150001）

催化燃燒式氫氣傳感器具有精度高、響應快、穩定性好[1]等特點，廣泛應用于航空、航天、能源、化工等重要領域。近年來，隨著使用領域的不斷擴大和使用環境的日漸苛刻，對傳感器在較大量級的沖擊及振動環境試驗條件下的穩定性提出了更高的要求。

在實際使用中，因振動、沖擊等力學環境試驗造成傳感器芯體開裂或位移，從而導致傳感器失效或輸出漂移大的情況時有發生。為了避免上述現象，確保氫氣傳感器在較大的力學環境中也能正常使用，本文通過對力學環境中氫敏芯體的失效機理進行分析，針對敏感芯體抗力學能力差的特性對傳感器進行結構設計，確保產品可以在嚴苛的力學環境條件下正常工作。

1 氫氣傳感器結構介紹

傳感器由3 對氫氣敏感芯體、鋁合金結構件及調理電路板組成。氫氣敏感芯體安裝在傳感器管道中。傳感器的結構圖見圖1。

圖1 氫氣傳感器結構圖

圖2 催化燃燒式氫敏芯體結構圖

氫氣傳感器采用的敏感芯體是一種基于催化燃燒原理的敏感芯體。芯體由敏感元和補償元件組成，各元件的敏感體均為丸珠式小球結構，是由催化劑及載體涂覆在加熱絲上燒結而成的。其中，敏感元件含有催化劑，用于催化氫氣反應，補償元件不含催化劑，用于補償環境溫度、濕度、壓力等條件的變化。

2 傳感器工作原理

氫氣敏感芯體在外加電壓作用下，加熱絲會釋放出熱量，使敏感體溫度升高。當環境氣氛中含有氫氣時，在催化劑的作用下，氫氣會與鄰近的氧氣發生氧化還原反應（無焰燃燒反應），釋放出熱量，該熱量會使敏感體的溫度升高，進而使加熱絲的電阻的阻值增大。正常環境氣氛中，氫氣的濃度很低，一般低于2%，可在催化劑的作用下完全燃燒。因此，釋放出的熱量與環境氣氛中氫氣的濃度有關，且隨氫氣濃度的增加而增加，只要測定加熱絲阻值的變化量（ΔR），便可計算出環境氣氛中氫氣的濃度。

圖3 催化燃燒氫氣傳感器的惠斯頓電橋電路圖

催化燃燒氫氣傳感器惠斯頓電橋見圖3 所示，F1 是敏感元件，F2 是補償元件，當敏感元件F1 與環境氣氛中的氫氣接觸時，在催化劑作用下，氫氣被氧化并釋放出熱量，使敏感元件敏感體的溫度升高，電阻值增大，使在A，B 間產生電位差E，則有式（1）：

式中：

ΔRF- 敏感元件的阻值變化率，ppm；

k- 與工作電壓有關的常數，V。

當補償元件的電阻RF2和敏感元件的電阻RF1電阻相近，比值接近1 時，電位差E 近似于ΔRF成正比。ΔRF是由于氫氣燃燒釋放的熱量引起的，與釋放的熱量成比例，ΔRF可用式（2）表示

式中：

α——敏感元件電阻溫度系數，ppm/K；

ΔT——氫氣燃燒引起的溫度增加值，K；

ΔH——氫氣燃燒燃燒產生的熱量J·mol-1；

C——敏感元件熱容量，J·mol-1·K-1；

Q——氫氣燃燒熱，J·mol-1；

m——氫氣濃度(體積分數),v%/v；

a——由敏感元件上涂覆的催化劑決定的常數。

由于α，C，a 的數值與敏感元件敏感體的材料、形狀、結構等因素有關，對于氫氣而言，Q 是定值，若令K=kα a.Q/C，敏感元件狀態一定時，K 是定值，則有式（3）：

即A，B 兩點間的電位差E 與氫氣濃度m 成正比。即測得電位差E 即可知道環境氣氛中氫氣的濃度。

3 失效機理分析

如圖1 所示，傳感器敏感芯體安裝在傳感器的頂部，與固定的四個耳片距離較遠；敏感芯體放置在管道中，敏感芯體和管道之間采用O 型圈進行密封，通過壓板將敏感芯體和O 型圈壓實在管道中。因此，在傳感器進行振動試驗時，敏感芯體部位實際受到的力是經結構件放大了的力。

敏感元件的催化小球是通過引線焊接在固定座上的，當傳感器進行力學試驗驗時，催化小球會在外力的作用下發生擺動，引線也會隨著催化小球擺動。因此，較大的力學量級會使催化小球擺動過大引起引線從小球中抽離出來，進而導致敏感元件發生移位和破損。

4 改進結構設計與試驗驗證

針對氫氣傳感器芯體耐力學試驗能力差的特點，保證產品空間足夠大的前提下，重新設計管道形狀，并將其包覆在一種具有減振特性的材料中。對于減振特性材料的選擇，因橡膠具有良好的減振和緩沖特性，同時其彈性形變所屬的應變范圍很大，具有高度非線性的應力- 應變行為，使其能夠產生可逆的大變形[3，4]等優點而被列入改進結構設計的備選材料當中。改進后的結構如下圖4 所示。

圖4 改進設計后的氫氣傳感器結構圖

將用減振橡膠包覆好的產品固定在底座中，并裝配成產品后，進行力學試驗，試驗后置于恒溫箱中，對產品進行精度測試，測試數據見表1 示。

表1 集通道力學試驗前后測試數據統計表

傳感器的采集通道在經受振動試驗后在各濃度點的輸出都會發生漂移，最大漂移量為-0.9%FS，在經受沖擊試驗后在各濃度點的輸出都會發生漂移，最大漂移量為-1.9%FS，即經受所有的力學環境試驗前后，傳感器的采集通道的最大漂移量為-2.8%，其對應標準氫氣濃度點為1%。滿足精度為±18%FS 的指標要求。

5 結論

本文針對氫氣傳感器設計了一種改進結構，有效提升了氫氣傳感器耐沖擊能力和可靠性。試驗結果表明改進后的傳感器設計性能良好，達到設計要求。該種改進結構也可推廣至其他同類型傳感器中。